Przeczytaj

bg‑azure

Przetrwać na Ziemi skutej lodem

R140jjK3e6y9Gbg‑white

W prekambrze, około $600 - 700 mln$ lat temu, praktycznie cała Ziemia pokryta była lodowcem. Skute lodem były nawet obszary równikowe. Tak rozległe zlodowacenie zwane jest zlodowaceniem kuli śniegowej, ponieważ cała planeta zamieniła się w gigantyczną śnieżkę. Naukowcy od dawna głowią się, w jaki sposób w takich warunkach na Ziemi mogło przetrwać życie tlenowe. Tym bardziej że oceany również były skute lodem, a przez to odcięte od dopływu tlenu.

Ilustracja

Rp2UJ3Lm1DikEbg‑white

W trakcie najnowszych badań, zespół pod kierunkiem naukowców z McGill University w Kanadzie natknął się na pierwsze bezpośrednie świadectwo, które pozwoliło stwierdzić, że topniejąca woda była nasycona tlenem w takim stopniu, by mogła stanowić środowisko dla wymagających tlenu organizmów żywych. Zespół badał skały bogate w żelazo w Australii, Namibii i Kalifornii. Badacze chcieli poznać warunki środowiska panujące na Ziemi‑śnieżce.

Ilustracja

R1HdAdEIhTH4Ebg‑white

„Mimo że większa część oceanu była zamarznięta na dużej głębokości, a tym samym niesprzyjająca rozwojowi życia, to jednak zdarzały się obszary, gdzie lód na powierzchni zaczynał pływać, a wtedy do wody dostawał się tlen” – opisuje Maxwell Lechte z McGill University. Jak dodaje, pęcherzyki powietrza, uwięzione w lodzie, także dostawały się do wody, kiedy ten topniał.

Ilustracja

R1N6sFPifyTBjbg‑white

W prekambrze, około $600 - 700 mln$ lat temu, praktycznie cała Ziemia pokryta była lodowcem. Skute lodem były nawet obszary równikowe. Tak rozległe zlodowacenie zwane jest zlodowaceniem kuli śniegowej, ponieważ cała planeta zamieniła się w gigantyczną śnieżkę. Naukowcy od dawna głowią się, w jaki sposób w takich warunkach na Ziemi mogło przetrwać życie tlenowe. Tym bardziej, że oceany również były skute lodem, a przez to odcięte od dopływu tlenu. Zdjęcie przedstawia jęzor lodowca, przed którym jest zamarznięty zbiornik wodny. W tle są wzniesienia pokryte śniegiem.

Oprócz tlenu, do przetrwania konieczne jest jeszcze pożywienie. Jak podkreślają naukowcy, potrzebne są dalsze badania, żeby poznać, jak w tym skrajnie niefunkcjonalnym środowisku mogły istnieć sieci pokarmowe. Zdjęcie ukazuje człowieka stojącego na bryłach lodu nad brzegiem zbiornika wodnego.

Indeks dolny Źródło: Przetrwać na Ziemi skutej lodem, „Nauka w Polsce”, online: https://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news%2C79756%2Cprzetrwac-na-ziemi-skutej-lodem.html (dostęp: 07.08.2020). Indeks dolny koniec

bg‑azure

Obecność tlenu w atmosferze

Zawartość tlenu w składzie atmosfery ziemskiej szacuje się na poziomie 21% objętościowych. Pojawienie się go datowane jest w okolicach $3 mld$ lat temu – dużo wcześniej niż proces określany jako katastrofa tlenowakatastrofa tlenowakatastrofa tlenowa, która miała miejsce ponad $600 mln$ lat później, podczas wprowadzenia większych ilości tego pierwiastka w skład atmosfery.

Według początkowych badań, tlen zaczął gromadzić się w atmosferze Ziemi $2,4 mld$ lat temu, w bardzo dynamicznym etapie historii Ziemi, określanym „katastrofą tlenową”. Była ona wywołana pojawieniem się ok. $2,7 mld$ lat temu pierwszych mikroorganizmów, które wykazywały zdolność do prowadzenia fotosyntezy, co dało początek późniejszym przemianom w środowisku Ziemi.

Organizmy te prowadziły produkcję wyraźnych ilości tlenu, ale uważa się, że jego ilość w atmosferze znacząco wzrosła setki milionów lat później. Wcześniej produkowany tlen rozpuszczał się w wodzie, zwiększając stężenie tlenu w wodach oceanu. Dopiero po osiągnięciu nasycenia tlenem przez wodę stężenie tlenu w atmosferze zaczęło rosnąć, co przyczyniło się do wystąpienia wielkiego kryzysu ekologicznego. Tym samym nastąpił kres występowania większości bakterii beztlenowych, istniejących wówczas na Ziemi.

R16edCqpD0peU1

Wykres zawartości tlenu w atmosferze Ziemi w przeciągu ostatniego miliarda lat. Na wykresie zaznaczono poziomą, czerwoną, przerywaną linią 21% tlenu, czyli stan obecny. Niebieską linią zaznaczono zmiany poziomu tlenu w czasie. Od miliarda do około sześciuset dwudziestu milionów lat temu poziom tlenu był stały i wynosił około 3,5%, następnie wzrastał do około 12,5% do pięciuset milionów lat temu. Potem rósł wykładniczo i trzysta milionów lat temu osiągnął poziom 35%, następnie zmalał do niecałych piętnastu procent około dwustu dziesięciu milionów lat temu. W kolejnych milionach lat rósł do poziomu 30%, który osiągnął około sto milionów lat temu, a potem spadał do poziomu dwudziestu jeden procent, który obserwowany jest obecnie. — Zawartość procentowo‑objętościowa tlenu w atmosferze Ziemi na przestrzeni ostatniego miliarda lat
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Pierwsi producenci tlenu

RfA3pJnpl2Jcp1

Ilustracja przedstawia obrazowane na niebiesko bakterie na ciemnoniebieskim tle. Bakterie mają kształt cylindra, są pokryte włoskami i mają ogon z kilkunastu włosków. — Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

W $2018$ roku na łamach pisma „Nature Geoscience” opisano badania prowadzone w Południowej Afryce, które dowiodły odkrycia śladów najstarszych bakterii produkujących tlen.

Miliardy lat temu, w szacowanym składzie atmosfery ziemskiej, zawartość tlenu była określana jedynie na śladowym poziomie. Wartość ta uległa zwiększeniu dzięki bakteriom prowadzącym fotosyntezę, której produktem ubocznym był właśnie tlen. Pozostałości po tych procesach obserwowane są w skałach sprzed $2,5 mld$ lat, występujących na różnych kontynentach.

W trakcie najnowszych prowadzonych badań, zespół prowadzony przez Benjamina Eickmanna i Ronny Schoenberga z Uniwersytetu w Tybindze (Niemcy) odkrył występowanie skał wskazujących na zachodzenie procesu fotosyntezy w Afryce Południowej, w rejonie rzeki Pongola. Są to najstarsze odnalezione obiekty tego typu, datowane na $2,97 mld$ lat.

Około 3 mld lat temu warunki panujące na Ziemi określano jako niekorzystne, jeśli rozpatrywano je w kontekście rozwoju wielokomórkowych organizmów żywych. Szacowano, że w atmosferze znajduje się jedynie jedna stutysięczna dzisiejszej ilości tlenu. Ok. $2,5 mld$ lat temu bakterie produkujące tlen zaczęły tę zawartość znacząco wzbogacać. Ten proces przyniósł jednak szkodliwe skutki dla bakterii starszego typu, prowadzących metabolizm beztlenowy.

Mimo wzrostu zawartości poziomu tlenu, atmosfera ziemska zawierała zaledwie $0,2 %$ tlenu w odniesieniu do obecnego poziomu tlenu, czyli $21 %$ .

bg‑azure

Najstarsze ślady fotosyntezy u roślin

R11q6nnc0UGYd1

Zdjęcie przedstawia gałązkę drzewa z jasnozielonymi liśćmi. — Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Pierwsze oznaki fotosyntezy u roślin datowane są na $1,25 mld$ lat. Zostały określone na podstawie badań skamieniałości glonów, które pochodzą z Ziemi Baffina w Arktyce. Potwierdzeniem tego są ślady glonów o nazwie Bangiomorpha pubescens, znalezione w niewielkiej formacji skalnej, określanej nazwą Angmaat.

Na istnienie śladów glonów natrafiono po raz pierwszy jeszcze w latach $90 .$ $XX w .$ , w kanadyjskiej części Arktyki. Od tego czasu trwało wyjaśnianie i badanie ich wieku, a wyznaczane datowania wahały się pomiędzy $720 mln$ lat temu a $1,2 mld$ lat.

Analizy, które przeprowadzili naukowcy z McGill University, dowodzą, że glony z Ziemi Baffina liczą ok. miliarda lat. Na podstawie tych ustaleń naukowcy szacują, że fotosynteza miała swoje początki ok. $1,25 mld$ lat temu.

bg‑azure

Jak przebiega proces fotosyntezy?

Fotosynteza to proces przetwarzania przez organizmy samożywne (autotrofy) energii świetlnej w energię chemiczną. Proces fotosyntezy mogą przeprowadzać rośliny zielone, zawierające chlorofilchlorofilchlorofil, oraz niektóre bakterie z bakteriochlorofilembakteriochlorofilbakteriochlorofilem. Fotosynteza zachodzi w dwóch etapach, z których każdy jest złożony z wielu procesów pośrednich.

REv7hzxQEciIH

Ilustracja przedstawiająca schematycznie proces fotosyntezy. Roślina z żółtymi oraz czerwonymi kwiatami, podłużnymi liśćmi i uwzględnionym w schemacie przekroju systemu korzeniowego. Za pomocą żółtych, falistych strzałek skierowanych od nieba do rośliny zaprezentowano padające na roślinę promienie słoneczne. Przy roślinie strzałka skierowana z góry w stronę liści od dwutlenku węgla CO2. Od liścia w górę poprowadzono strzałkę symbolizującą powstawanie glukozy C6H12O6. To glukoza. Druga strzałka skierowana na zewnątrz od liścia reprezentuje uwalnianie tlenu O2 w procesie. W systemie korzeniowym strzałki skierowane w stronę korzeni ze wzorem H2O. — Schematyczna grafika, która ukazuje substraty i produkty procesu fotosyntezy.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Pierwszy etap przebiega z udziałem światła w tylakoidachtylakoidytylakoidach chloroplastów. Biorą w nim udział systemy barwników asymilacyjnych, określane jako fotosystemy.
W drugim etapie (w tzw. ciemniowych reakcjach fotosyntezy), przebiegającym w stromie chloroplastówstroma chloroplastówstromie chloroplastów bez udziału światła, energia chemiczna ATPenergia chemiczna ATPenergia chemiczna ATP i potencjał redukcyjny NADPHpotencjał redukcyjny NADPHpotencjał redukcyjny NADPH (tzw. siła redukcyjna) są zużywane w cyklu enzymatycznych reakcji (cykl Calvina–Bensonacykl Calvina-Bensonacykl Calvina–Bensona) do włączenia asymilowanego tlenku węgla( $IV$ ) w związki organiczne.

Rz9ztAgPoOF6o

Animacja pt. „Jak przebiega proces fotosyntezy”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

chlorofil

związek organiczny; zielony barwnik fotosyntetyczny – główny składnik chloroplastów – umożliwiający wykorzystanie energii świetlnej

chloroplast

składnik komórek roślin i glonów (samożywnych protistów) zawierający chlorofil, w którym zachodzi proces fotosyntezy

cykl Calvina‑Bensona

ciąg reakcji zachodzących w roślinach, który polega na przekształcaniu tlenku węgla( $IV$ ) w glukozę w ciemnej fazie fotosyntezy

fotoukład

absorbujący kwanty światła kompleks barwnikowo‑lipidowo‑białkowy

katastrofa tlenowa

nazwa wielkich przemian środowiskowych na Ziemi, które przypadały na okres paleoproteozoiku (2,4 - 2,0 miliarda lat temu), w tym okresie poziom tlenu w atmosferze zwiększył się 10000 razy

tylakoidy

pęcherzyki bądź rurkowate woreczki zawierające barwniki roślinne, które tworzą w chloroplastach system błon wewnętrznych

bakteriochlorofil

zielony barwnik bakterii purpurowych siarkowych i bezsiarkowych oraz zielonych bakterii siarkowych, który bierze udział w procesie fotosyntezy

stroma chloroplastów

płynne wnętrze chloroplastów otoczone dwiema błonami, w którym zachodzi cykl Calvina

energia chemiczna ATP

energia chemiczna adenozyno- $5 ‵$ -trifosforanu; powstaje w procesach fotosyntezy i oddychania komórkowego, służy do przeprowadzania różnorodnych procesów, takich jak biosynteza, ruch czy podział komórkowy; energia ta wytwarzana jest z adenozyno- $5 ‵$ -difosforanu (ADP), cząsteczka ATP jest nośnikiem energii i przekazując swą energię powraca do formy ADP lub adenozyno- $5 ‵$ -monofosforanu (AMP); cykl ten zachodzi bezustannie w organizmach żywych; człowiek dorosły w ciągu doby syntetyzuje i zużywa około $85 kg$ adenozynotrifosforanu (ATP)

potencjał redukcyjny NADPH

forma zredukowana NADP – fosforanu dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego, jest głównym donorem elektronów w biosyntezach redukcyjnych, np. w fotosyntetycznym cyklu Calvina-Bensona; forma utleniona ( ${NADP}^{+}$ ) jest ostatecznym akceptorem elektronów z łańcucha fotosyntetycznego i ulega ona redukcji w reakcjach cyklu pentozowego oraz w wyniku reakcji katalizowanej przez cytozolowy enzym jabłczanowy

Bibliografia

Najstarsze ślady fotosyntezy, „Nauka w Polsce”, online: https://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,27729,najstarsze-slady-fotosyntezy-u-roslin.html (dostęp: 27.06.2021).

Najstarsza oaza tlenu na Ziemi, „Nauka w Polsce”, online: https://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,28011,najstarsza-oaza-tlenu-na-ziemi.html (dostęp: 27.06.2021).

Wprowadzenie

Grafika interaktywna

Przetrwać na Ziemi skutej lodem

Obecność tlenu w atmosferze

Pierwsi producenci tlenu

Najstarsze ślady fotosyntezy u roślin

Jak przebiega proces fotosyntezy?

Słownik

Bibliografia